Что изготавливают из алюминия

Производство алюминия в России идет полным ходом. Всего за год здесь изготавливается свыше 4 000 000 тонн этого сплава. Вопреки популярному заблуждению именно этот металл является самым распространенным на планете, после него идет железо. Но что делают из алюминия, ведь известно, что он применяется в разных отраслях промышленности? В частности, можно выделить машиностроение, авиацию, химическую промышленность и даже гражданское строительство, не говоря уже о производстве предметов бытового применения.

Авиация

Сплав алюминия является основным конструкционным материалом, который используется в современной авиапромышленности. Его потребление резко возросло на этапе развития самолетами дозвуковых и сверхзвуковых скоростей.

На данный момент существуют сплавы различных серий – от 2ххх до 7ххх. Металл версии 2ххх используется для работы при очень высоких температурах, при этом у него высокий коэффициент вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх используются для создания деталей, которые будут эксплуатироваться под большой нагрузкой и низкой температурой. Они отличаются высокой сопротивляемостью коррозии. Малонагруженные узлы уместно делать из сплавов серии 3ххх, 5ххх, 6ххх. Такие используются в масло-, гидро- и топливных системах.

В России при создании узлов для самолетов используют высокопрочные алюминиевые сплавы, которые предварительно подвергаются термической обработке. Также активно используются сплавы средней прочности. Обшивка лайнера, крылья, фюзеляж, киль и т. д. – все эти элементы изготавливаются именно из этого материала. Сплав 1420 активно используется для создания сварного фюзеляжа пассажирского лайнера. Теперь понимаем, что делают из алюминия в авиации.

Космическая техника

Также данный металл обладает преимуществом при создании космической техники. Благодаря небольшому весу и высоким показателям удельной прочности из алюминия можно изготовить баки, носовые и межбаковые части ракеты. Этот металл хорошо работает при криогенных температурах в контакте с гелием, водородом и кислородом. У него происходит криогенное упрочнение – явление, при котором показатели прочности при понижении температуры растут.

Однако это еще не все, что делают из алюминия. Он находит применение и в других отраслях.

Судостроение

В основном в этой отрасли промышленности материал используют для изготовления корпусов судов, а также коммуникаций для оборудования и палубных надстроек. Благодаря применению этого металла конструкторам удалось на 50-60 % снизить массу судов, благодаря чему достигается высокая экономия топлива и повышенная грузоподъемность, маневренность и скорость также растут.

Железнодорожный транспорт

Подвижный состав на железной дороге эксплуатируется в тяжелых условиях, он подвергается ударным нагрузкам. Поэтому и требования к материалам изготовления таких составов высоки. Алюминий целесообразно применять для изготовления железнодорожных составов из-за высокой удельной прочности, небольшой силы инерции, а также повышенной коррозионной стойкости. К тому же в специальных алюминиевых емкостях можно перевозить продукты нефтехимической и химической промышленности.

Автомобильная промышленность

В автомобилях уместно использовать металлы высокой прочности и небольшой массы. При этом они должны быть устойчивыми к коррозии и обладать декоративной поверхностью. Такое вещество, как алюминий, из чего делают кузовы легковых автомобилей, как раз соответствует этим критериям. Благодаря ему производителям удается снизить вес транспорта, сделать его более экономичным и повысить грузоподъемность, а высокая стойкость к коррозии существенно повышает срок эксплуатации автомобиля.

Также из сплавов могут изготавливать балки и рамы тяжелых грузовых машин.

Строительство

В гражданском или промышленном строительстве алюминиевые сплавы тоже активно используются. Их перспективность подтверждена мировой практикой и технико-экономическими расчетами. Применение алюминия позволяет уменьшить металлоемкость и повысить надежность и долговечность конструкции. Большинство современных зданий со стеклянными фасадами имеют "скелет" из данного материала.

Нефтехимическая промышленность

При разработке деталей, применяемых в оборудовании для разведки, добычи и переработки нефти, предъявляются строгие требования к материалу. Бурильное оборудование становится более легким и эффективным при использовании сплавов алюминия, что позволяет упростить его транспортировку и прохождение глубины.

Эти сплавы являются идеальными для изготовления емкостей для хранения нефти. Нефтегазопроводные, бурильные или насосно-компрессорные алюминиевые трубы также тут активно применяются. В частности, для этого используется сплав Д16.

Производство бытовых предметов

В быту не счесть вещей, которые делаются из этого металла. В частности, популярностью пользуются алюминиевые лестницы – они есть практически в каждом доме, гараже. Кухонная утварь, кронштейны для телевизоров – все эти элементы могут быть выполнены из алюминия, что уже говорить про более мелкие предметы.

Алюминиевые лестницы, кстати, уверенно вытеснили железные, так как последние очень тяжело переносить с места на место. Это еще раз демонстрирует преимущество этого металла. Перечислять изготавливаемые из него предметы быта можно очень долго.

Посуду из алюминия выбирают многие кулинары, в том числе и профессиональные повара, по всему миру. Это объясняется хорошими характеристиками, удобством в использовании и простотой в уходе, а также невысокой стоимостью алюминиевой посуды.

Свойства алюминия

Одной из причин популярности алюминиевой посуды является отличная теплопроводность этого материала. Благодаря этому свойству тепло через основание алюминиевой посуды распространяется очень быстро и равномерно нагревает стенки, со всех сторон окружая приготовляемую пищу. Именно поэтому многие кулинары предпочитают использовать алюминиевые сковороды, ведь в них можно легко и быстро пассировать и пожарить продукты.

Алюминий является легким металлом, его вес составляет приблизительно одну треть веса стали. Это означает, что с большой алюминиевой кастрюлей обращаться намного легче, чем с такой же стальной. Алюминий используется для изготовления кухонной посуды, которую можно использовать не только на плите, но и в духовке. Кроме того алюминий не ржавеет.

Алюминий является третьим из наиболее часто встречающихся элементов в земной коре. В природе он всегда находится в сочетании с другими материалами. Наиболее распространенным источником металла является бокситовая руда. В этой руде содержится больший процент алюминия, чем в других рудах, и извлекать его проще и дешевле, чем из других соединений.

Процесс производства

Алюминиевую кухонную посуду изготавливают, как правило, следующими методами: штамповка, вытягивание и литье.

Штамповка или вытягивание: плоские листы или круги необходимой толщины помещают в пресс, который придает листам металла желаемую форму. После этого внутреннюю и внешнюю поверхность посуды отделывают, прикрепляют ручки и кнопки.

Литье. Расплавленный алюминий льют в формы, специально разработанные для различных видов кухонной посуды. Эти формы позволяют сделать разные части посуды различной толщины для максимально эффективности во время приготовления пищи. Например, дно посуды может быть утолщено для улучшения теплопроводности, а стенки сужены для улучшения конвекционного движения в кастрюле. Когда алюминий охладится, форму открывают и вытаскивают из нее предметы кухонной утвари. Посуда из литого алюминия более тяжелая и массивная, чем штампованная посуда. Каждый предмет посуды представляет собой цельную деталь без швов или трудно чистимых щелей.

Толщина алюминиевой посуды являются важной особенностью, которая определяет ее качество. Чем больше толщина, тем более долговечной и дорогостоящей будет посуда.

Отделка

Существует множество способов отделки алюминиевой посуды. Внешняя поверхность штампованной и вытянутой посуды может быть отполирована или матирована, анодирована, покрыта эмалью или антипригарным покрытием, а также окрашена органической краской (акриловой, полиамидной и т.д.). Обычно дно посуды полируют до глянцевого блеска или покрывают керамической эмалью: обе эти отделки помогают поглощать тепло. Внешнюю поверхность посуды из литого алюминия покрывают цветной эмалью или антипригарным слоем, полируют, окрашивают органической краской и прочее.

Внутреннюю поверхность алюминиевой посуды полируют, анодируют или покрывают антипригарным покрытием. Большинство современной алюминиевой кухонной посуды имеет антипригарное покрытие.

Ниже представлен обзор алюминиевой продукции, как ее представляют в Европе [1, 2], со ссылками на соответствующие европейские стандарты.

Алюминий и алюминиевые сплавы

К алюминиевой продукции относят изделия и полуфабрикаты из нелегированного алюминия и алюминиевых сплавов, деформируемых и литейных, а также исходные материалы для их производства — первичный и вторичный алюминий в виде жидкого алюминия, слитков, заготовок и т. п.

Нелегированный алюминий – алюминий без легирующих элементов, в котором содержание алюминия составляет не менее 99,00 %.

Алюминиевый сплав – алюминий, который содержит легирующие элементы, причем содержание алюминия больше по массе любого из других элементов в сплаве, а содержание алюминия составляет не менее 99,00 %.

Легирующий элемент – металлический или неметаллический элемент, который контролируется внутри верхнего и нижнего пределов с целью придания алюминиевому сплаву некоторых специальных свойств.

Примесь – присутствующий в металле металлический или неметаллический элемент, минимальное содержание которого не контролируется.

Первичный алюминий

Алюминий, который производится путем электролиза из глинозема, называют первичным алюминием. В первичный алюминий может добавляться небольшое количество чистого технологического лома. Содержание алюминия в первичном алюминии составляет не менее 99,7 % (рисунок 1).

Производство первичного алюминия [2]

Первичный алюминий является, как правило, исходным материалом для производства такого вида алюминиевой продукции, как алюминиевые полуфабрикаты — листы, полосы, трубы, профили и т. п. Он является также исходным материалом для литейных сплавов, которые применяются для изготовления особо ответственных изделий, таких как колесные диски и компоненты автомобильных шасси.

В литейном цехе производителя первичного алюминия жидкий алюминий подвергают различным видам обработки с тем, чтобы он мог соответствовать установленным техническим требованиям:

• Легирование, то есть добавление легирующих элементов в чистом виде или в виде лигатур, чтобы получить заданный химический состав. Лигатуры могут содержать до 65 % легирующих элементов
• Очистка – применение флюсов или фильтров
• Дегазация
• Разливка в слитки (или, иногда, в фасонные отливки)
• Поставка алюминия в жидком виде.

Слитки для переплава

Алюминиевые слитки для переплава (EN 576) разливаются в открытые изложницы на литейном производстве, которое входит в состав производителя первичного алюминия, или литейных машинах горизонтального литья. Чаще всего применяются в виде небольших слитков – чушек (рисунок 2).

Алюминиевые слитки-чушки для переплава

Эти слитки затем идут по двум различным путям на изготовление алюминиевой продукции:

• Их переплавляют на специализированном литейном предприятии в профильные слитки-заготовки для прокатных и прессовых производств.
• Профильные слитки-заготовки, такие как прокатные слитки-слябы и слитки-столбы для прессования также обычно разливаются в собственных литейных цехах производителей катаной или прессованной продукции

Профильные слитки

Профильные алюминиевые слитки – это общее наименование для прокатных слябов (EN 487), слитков-заготовок для прессования (EN 486) и литых заготовок для ковки (EN 604). Они являются исходным материалом для производства полуфабрикатов — продукции, которая является исходным материалом для изготовления готовых изделий. Их производят с применением вертикального полунепрерывного процесса литья, который называется литье с прямым охлаждением (рисунок 3).

Полунепрерывное вертикальное литье с прямым охлаждением [3]

Такой вид алюминиевой продукции, как алюминиевые шины с большим поперечным сечением, обычно производят на аналогичных горизонтальных машинах непрерывного литья.

Прокатные слитки

Прокатные слитки имеют прямоугольное поперечное сечение (до 0,6 х 1,8 м). Они могут быть длиной до 6 метров и весом до 14 тонн. Некоторые большие прокатные станы могут производить и/или обрабатывать слитки с поперечным сечением до 0,6 х 2,25 м, длиной до 9 метров и весом до 30 тонн. Прокатные слитки являются исходным материалом для листовой алюминиевой продукции: алюминиевых листов, лент и фольги.

Прокатные слитки [4]

Экструзионные слитки и заготовки

Экструзионные слитки (слитки-столбы) – это исходный материал для прессованной продукции (прессованных профилей, прутков, труб, проволоки). Большинство экструзионных слитков имеют цилиндрическую форму. Поэтому их часто называют столбами (рисунок 5). Эти столбы имеют диаметр от 80 до 500 мм, иногда более 600 или даже 1000 мм. Обычно их номинальный диаметр кратен дюйму (25,4 мм), например:

• 5 дюймов – 127 мм
• 6 дюймов – 152 мм
• 7 дюймов – 178 мм
• 8 дюймов – 203 мм
• 9 дюймов – 228 мм
• 10 дюймов – 254 мм.

Непосредственно в контейнер экструзионного пресса загружают мерные отрезки этих столбов — заготовки — длиной 500-1000 мм в зависимости от их диаметра, которые называются заготовками. Эти заготовки получают заранее порезкой слитка-столба на мерные длины или отрезают от нагретого столба непосредственно перед загрузкой в пресс (рисунки 5 и 6).

Слитки-столбы на входе в печь нагрева линии по экструзии алюминия [5]

Нагретая заготовка перед загрузкой в контейнер экструзионного пресса [5]

Цилиндрические полые заготовки (например, с наружным диаметром 510 мм и внутренним диаметром 160 мм) применяют для прессования через оправку бесшовных труб.

Большие профили с шириной поперечного сечения до 800 мм и относительно небольшой высотой (до 100 мм) изготавливают из прямоугольной заготовки.

Литая заготовка для ковки

Литую заготовку для ковки производят непрерывным литьем по заказам кузнечных предприятий. Диаметр ковочной заготовки может достигать 1 метра. Однако большинство поковок изготавливают из заготовок, которые получают из слитков-столбов [2].

Литая лента

Литая лента – это исходный материал для производства листов и лент, а также изделий, которые получают ударной экструзией. Литую ленту получают на различных машинах для непрерывного литья, а также машинах для литья и прокатки.

Непрерывно литой и катаный пруток

Непрерывно литой и катаный пруток производят с применением специальных литейных машин для непрерывного литья (рисунок 7). Аналогично прессованной проволоке этот пруток применяют в качестве исходного материала для волочения проволоки, которая относится к холоднокатаной алюминиевой продукции.

Принцип непрерывного литья и прокатки алюминиевой катанки по технологии фирмы Properzi [6]

Алюминий – раскислитель стали

Алюминий находит применение при производстве стали для раскисления, измельчения зерна, снижения содержания азота и легирования. Большинство алюминия, который применяется в производстве стали, получают из лома. Эта алюминиевая продукция производится в виде металлического алюминия (чушек или прутков), а также в виде алюминиевой дроби, гранул, небольших слитков, рубленной проволоки, брикетов и других удобных для введения в печь формах, таких как проволока в бухтах. Эту алюминиевую продукцию поставляют насыпью или упакованной в мешки или пакеты.

Чистота алюминиевых сплавов для раскисления стали обычно составляет не менее 95 %. Главными примесями являются цинк, олово, медь, магний, свинец и марганец. Алюминиевая проволока в бухтах обычно изготавливается из алюминия чистотой 99 %.

Жидкий алюминий

Жидкий алюминий (EN 577) транспортируют на литейные предприятия в специальных автомобильных контейнерах (рисунок 9). Этот подход становится все более распространенным, так как позволяет сэкономить энергию, которая идет на расплавление слитков.

Транспортировка жидкого алюминия [4]

Вторичный алюминий

Новый (технологический) и старый (бывший в употреблении) алюминиевый лом является исходной шихтой для производства вторичного алюминия. Так называемые «вторичные плавильщики» смешивают старый лом или технологический алюминиевый лом и получают так называемые вторичные алюминиевые сплавы. Эти сплавы поставляются на литейные предприятия в виде слитков для переплавки или как жидкий металл. Эти литейные предприятия производят алюминиевую продукцию в виде отливок, которые находят широкое применение, например, в автомобилестроении. Вторичный алюминий идет также на изготовление чушек, прутков и гранул для раскисления стали.

Отсортированный алюминиевый лом, который состоит из деформируемых сплавов, снова можно применять на предприятиях по производству «полуготовой» алюминиевой продукции — полуфабрикатов. Примером этого является алюминиевые банки для пива и прохладительных напитков, которые очень широко перерабатываются во всем мире.

Лом алюминиевых банок

Алюминиевые полуфабрикаты

Что такое полуфабрикаты?

Полуфабрикаты– это «полуготовая» алюминиевая продукция, которая была подвергнута некоторой обработке и которая должны подвергаться дальнейшей обработке для изготовления продукции, которая уже полностью готова для применения [1]. Полуфабрикаты включают изделия, изготовленные методами обработки давлением, а также, реже, литьем. Слитки для дальнейшей обработки давлением также не относятся к полуфабрикатам .

Чаще всего, «полуфабрикаты» – это продукция, которую изготавливают путем горячей или холодной обработки (экструзии, ковки, холодной или горячей прокатки, волочения). Общей характеристикой этих процессов является то, что в ходе них металл – алюминий – подвергается пластическому деформированию. Поэтому алюминиевые сплавы, которые предназначены для этих процессов называются «деформируемыми сплавами» (EN 573).

Высокая способность алюминия к обработке дает большой разнообразие алюминиевых деталей и изделий по размерам и форме: от фольги толщиной 6 микрометров и шириной 2 метра до плит шириной в несколько метров для применения в судостроении и самолетостроении, а также в машиностроении. Экструзия алюминия способна производить прессованную продукцию от труб толщиной 0,8 мм для электронной промышленности до профилей шириной 800 мм для современных высокоскоростных поездов.

Алюминиевый прокат

Прокатка – это технология, которая обычно применяется для изготовления такой алюминиевой продукции, как полосы, листы и фольга. Перед тем, как металл подвергают горячей прокатке, со слитка снимают поверхностный слой, который образовался при его литье. Затем слиток нагревают в печи до температуры прокатки. Во время прокатки изделие охлаждают специальными эмульсиями. За каждый проход через прокатные ролики происходит значительное снижение толщины проката. В зависимости от требований к конечным размерам и свойствам горячекатаные полосы могут подвергаться дальнейшей обработке на стане холодной прокатки до тонкого листа или фольги. Свойства и технические условия поставки для этой алюминиевой продукции установлены в европейском стандарте EN 485.

Алюминиевые листы

Алюминиевая фольга

Прессованная продукция

В отличие от других процессов по производству полуфабрикатов методы экструзии (прессования) алюминиевых сплавов позволяют изготавливать наиболее разнообразные формы поперечного сечения – от простых сплошных профилей до сложных профилей с несколькими полостями. Однако необходимо отметить, что существуют некоторые ограничения, которые вытекают из специфических условий самого процесса экструзии. Профили с большими различиями по толщине полок и стенок, а также профили, у которых толщины стенок слишком тонкие по сравнению с общими размерами поперечного сечения, требуют значительных усилий и затрат по изготовлению прессового инструмента, обеспечению стабильности прессования и эффективной правки растяжением.

Прессованные алюминиевые профили

Доступные размеры профилей (EN 755 и EN 12020) зависят от материала (алюминиевого сплава), а также от диаметра описанной окружности профиля.

Холоднотянутые изделия

Холоднотянутое изделие – это изделие, которое получают путем протягивания материала через матрицу (рисунок 12).

Волочение прутка (а) и трубы (б)

Исходным материалом для холоднотянутых изделий, которые получают холодным волочением, являются прессованные прутки и трубы, а также катаные или литые заготовки, которые получают непрерывным литьем и прокаткой. Технически возможно подвергать холодному волочению и прессованные профили, однако это считается экономически невыгодным и поэтому не применяется на практике.

Требования к холоднотянутой алюминиевой продукции установлены в EN 754.

Поковки

Обычные размеры поковок так называемой открытой ковки составляют: длина – до 5 метров, ширина – до 2 метров и площадь поверхности – до 2 м 2 . Поковки, которые изготавливались в закрытых матрицах, такие как автомобильные колесные диски или несущие детали для самолетов и транспортных средств, отличаются высокой прочностью и вязкостью и поэтому их применяют для высоконагруженных и ответственных компонентов.

Кованый алюминиевый рычаг подвески [6]

Алюминиевые композиты

Алюминий может комбинироваться с другими материалами – металлическими и неметаллическими – при изготовлении композитных материалов. Когда алюминий комбинируют с металлами, такими как сталь или медные сплавы, то их обычно соединяют с помощью сварки под давлением или сварки трением.

Двумерные комбинации алюминия с неметаллами, например, с пластиком или деревом, представляют собой, так называемые, сэндвичные элементы, которые изготавливают с помощью адгезивного склеивания или заполнения пеной пространства между двумя наружными алюминиевыми слоями.

Бороалюминиевый композит (40 % волокон бора)

Листовые гнутые полуфабрикаты

Эту продукцию изготавливают из алюминиевого листа или полосы путем холодной обработки, которая включает пластическую деформацию. Примерами таких алюминиевых изделий являются:

• Профили из листов и полос, которые получают методом роликовой гибки (рисунок 16).
• Профили из полосы, которые изготавливают путем роликовой гибки или протяжки через матрицу; примером таких профилей являются профили для оконных жалюзей.
• Профили, которые изготавливают путем гибки полос.
• Сварные тонкостенные трубы, например, для теплообменников.
• Спиральные сварные трубы.
• Гофрированные трубы (гибкие трубы).

Изготовление алюминиевых профилей методом роликовой гибки [7]